(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体発光素子である光源と前記光源に対向して配置する照明用レンズと、を備えた照明装置に用いる前記照明用レンズの製造方法であって、
前記照明用レンズは、前記光源に対向する側の入射面と反射面を備えた裏面と、前記光源と反対側の曲面からなる表面とを備えたレンズ体であり、前記裏面から入射した前記光源から照射された光を前記表面から出射して所定の配光が得られるように配光制御する形状算出がなされたものであり、
前記形状算出方法が、
初期設定の工程として、
前記照明用レンズの反光源側に形成されて前記光源からの光を出射し光軸を回転軸とした対称形状もしくは非対称形状の曲面からなる表面の形状を設定する表面形状設定工程と、
光軸に対して角度βをなす方向から前記表面を介して前記照明用レンズの内部に平行光を入射させ、該平行光が前記照明用レンズの媒質中を永続的に進行すると仮定した場合に、該平行光が収束する位置を、角度βに対応した仮想焦点Ｓ（β）の位置として算出する仮想焦点算出工程と、
前記光源から所定方向に出射される光の前記光軸とのなす角を光源出射角度α、前記照明用レンズの表面から所定方向に出射される光の光軸とのなす角をレンズ出射角度βとすると、所定の配光が得られるように光源出射角度αとレンズ出射角度βとを対応付ける配光制御データβ（α）を設定する配光制御データ設定工程と、
を行い、
前記初期設定の工程の後に、前記裏面の形状を算出する裏面形状算出処理の工程を行うものとされ、
前記裏面形状算出処理の工程が、
前記光源から所定の光源出射角度αの方向に出射された光が前記照明用レンズの裏面に入射する入射位置と、該所定の光源出射角度αに対して前記配光制御データβ（α）により対応付けられたレンズ出射角度βに対応した仮想焦点Ｓ（β）の位置とを結ぶ直線の方向を屈折方向として算出する屈折方向算出工程と、
前記光源から所定の光源出射角度αの方向に出射された光を、前記屈折方向算出工程により算出された屈折方向に屈折させる透過面の面方向を算出する透過面方向算出工程と、
前記透過面が形成される範囲に入射する前記光源からの光の各入射位置の面方向を、前記屈折方向算出工程及び前記透過面方向算出工程により算出し、各入射位置を通過するとともに、各入射位置において前記算出した面方向となる透過面全体の形状を算出する透過面算出工程と、
前記照明用レンズの裏面において前記透過面が形成される範囲よりも外縁側に形成する反射面の面形状を算出する工程であって、
前記光源から所定の光源出射角度αの方向に出射された光が前記照明用レンズの内部に入射した後に前記照明用レンズの内部において前記裏面に入射する入射位置と、該所定の光源出射角度αに対して前記配光制御データβ（α）により対応付けられたレンズ出射角度βに対応した仮想焦点Ｓ（β）の位置とを結ぶ直線の方向を反射方向として算出する反射方向算出工程と、
前記光源から所定の光源出射角度αの方向に出射された光を、前記反射方向算出工程により算出された反射方向に反射させる反射面の面方向を算出する反射面方向算出工程と、
前記反射面が形成される範囲に入射する前記光源からの光の各入射位置の面方向を、前記反射方向算出工程及び前記反射面方向算出工程により算出し、各入射位置を通過するとともに、各入射位置において前記算出した面方向となる反射面全体の形状を算出する反射面算出工程と、
を備え、
前記形状算出方法を行って照明用レンズを製造する
ことを特徴とする照明用レンズの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は照明用レンズの製造方法に係り、特に発光ダイオード（ＬＥＤ）等の半導体発光素子を光源として出射された光を所定の配光が得られるように配光制御を行う照明用レンズの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＬＥＤを光源とするＬＥＤ照明装置において、光源と単一の照明用レンズとから構成された照明装置が知られている。その照明用レンズとして、光源側に光源から放射された光を略平行光とする面（コリメータ面）が形成され、その対向面（反光源側）に平行光をそのまま透過させる平面や平行光を拡散する拡散面が形成されているものが知られている（例えば特許文献１参照）。コリメータ面は、光源から放射された光を屈折させる面（透過面）と、一度屈折させた光をレンズ内で反射させる反射面とから形成されており、反射面が光源から放射された広角度範囲の光を有効に照明光として利用できるようにしているため、高効率で光源の光を利用することができる、また、照明用レンズ以外のリフレクタ等の構成部材を使用する必要がないため、構成が簡易である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特公平０４−０３６５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記のような照明用レンズのコリメータ面を形成する透過面や反射面は、平行光を形成する面として光源の位置を考慮した単純な曲面で形成されている。そのため、上記のような照明用レンズでは、配光制御の自由度が低く、実現可能は配光の態様（配光パターン）も特定のものに限られるという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、半導体発光素子である光源の光に対して多様な配光制御を可能にした照明用レンズの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成するために、請求項１に係る照明用レンズの製造方法は、半導体発光素子である光源と前記光源に対向して配置する照明用レンズと、を備えた照明装置に用いる前記照明用レンズの製造方法であって、前記照明用レンズは、前記光源に対向する側の入射面と反射面を備えた裏面と、前記光源と反対側の曲面からなる表面とを備えたレンズ体であり、前記裏面から入射した前記光源から照射された光を前記表面から出射して所定の配光が得られるように配光制御する形状算出がなされたものであり、前記形状算出方法が、初期設定の工程として、前記照明用レンズの反光源側に形成されて前記光源からの光を出射し光軸を回転軸とした対称形状もしくは非対称形状の曲面からなる表面の形状を設定する表面形状設定工程と、光軸に対して角度βをなす方向から前記表面を介して前記照明用レンズの内部に平行光を入射させ、該平行光が前記照明用レンズの媒質中を永続的に進行すると仮定した場合に、該平行光が収束する位置を、角度βに対応した仮想焦点Ｓ（β）の位置として算出する仮想焦点算出工程と、前記光源から所定方向に出射される光の前記光軸とのなす角を光源出射角度α、前記照明用レンズの表面から所定方向に出射される光の光軸とのなす角をレンズ出射角度βとすると、所定の配光が得られるように光源出射角度αとレンズ出射角度βとを対応付ける配光制御データβ（α）を設定する配光制御データ設定工程と、を行い、前記初期設定の工程の後に、前記裏面の形状を算出する裏面形状算出処理の工程を行うものとされ、前記裏面形状算出処理の工程が、前記光源から所定の光源出射角度αの方向に出射された光が前記照明用レンズの裏面に入射する入射位置と、該所定の光源出射角度αに対して前記配光制御データβ（α）により対応付けられたレンズ出射角度βに対応した仮想焦点Ｓ（β）の位置とを結ぶ直線の方向を屈折方向として算出する屈折方向算出工程と、前記光源から所定の光源出射角度αの方向に出射された光を、前記屈折方向算出工程により算出された屈折方向に屈折させる透過面の面方向を算出する透過面方向算出工程と、前記透過面が形成される範囲に入射する前記光源からの光の各入射位置の面方向を、前記屈折方向算出工程及び前記透過面方向算出工程により算出し、各入射位置を通過するとともに、各入射位置において前記算出した面方向となる透過面全体の形状を算出する透過面算出工程と、前記照明用レンズの裏面において前記透過面が形成される範囲よりも外縁側に形成する反射面の面形状を算出する工程であって、前記光源から所定の光源出射角度αの方向に出射された光が前記照明用レンズの内部に入射した後に前記照明用レンズの内部において前記裏面に入射する入射位置と、該所定の光源出射角度αに対して前記配光制御データβ（α）により対応付けられたレンズ出射角度βに対応した仮想焦点Ｓ（β）の位置とを結ぶ直線の方向を反射方向として算出する反射方向算出工程と、前記光源から所定の光源出射角度αの方向に出射された光を、前記反射方向算出工程により算出された反射方向に反射させる反射面の面方向を算出する反射面方向算出工程と、前記反射面が形成される範囲に入射する前記光源からの光の各入射位置の面方向を、前記反射方向算出工程及��前記反射面方向算出工程により算出し、各入射位置を通過するとともに、各入射位置において前記算出した面方向となる反射面全体の形状を算出する反射面算出工程と、を備え、前記形状算出方法を行って照明用レンズを製造することを特徴としている。
【０００７】
本発明は、照明用レンズの裏面に形成される透過面及び反射面をパーソナルコンピュータ等の演算処理装置を用いて算出して照明用レンズを製造する方法を示し、これによれば、配光制御データβ（α）の関係を満たすように配光制御データβ（α）と仮想焦点Ｓ（β）に基づいて透過面及び反射面の形状が算出され、設計者が意図した所望の配光制御を行うための照明用レンズの透過面及び反射面の形状が演算処理装置を用いて容易に算出される。また、反射面によって光源から広角度範囲で放射される光を有効利用することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、半導体発光素子である光源の光を照明用レンズにより配光制御する場合において、照明用レンズの裏面形状によって多様な配光制御を実現することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】ガソリンスタンドの敷地内の構成を簡易的に示した外観図
【図２】キャノピー灯により照明されるキャノピー下部の照度分布（キャノピー灯の高さ約６．０ｍ、観測高さ約１．５ｍ）における配光パターンを示した図。
【図３】防火塀との距離が最短となるキャノピー灯の位置と、その距離が最短となる防火塀６０の位置とを含む鉛直断面を示した断面図。
【図４】本実施の形態の水冷式ＬＥＤ照明装置の斜視図。
【図５】図４の矢視Ａ方向の図。
【図６】図４の矢視Ｂ方向の図。
【図７】図６のＣ−Ｃ線断面図。
【図８】図６のＤ−Ｄ線断面図。
【図９】図６のＥ−Ｅ線断面図。
【図１０】図４の水冷式ＬＥＤ照明装置の分解斜視図。
【図１１】図４の水冷式ＬＥＤ照明装置の水冷ユニットの基本構成図。
【図１２】レンズの形状を示した断面図（ＸＺ平面図）。
【図１３】レンズの一部を拡大した拡大断面図（ＸＺ平面図）。図。
【図１４】パーソナルコンピュータの構成を示したブロック図。
【図１５】レンズの形状を算出するためのパーソナルコンピュータのＣＰＵによる処理手順を示したフローチャート。
【図１６】図１５のステップＳ２０の処理を内容を示したフローチャート。
【図１７】仮想焦点の説明に使用した図。
【図１８】初期入射点の説明に使用した図。
【図１９】図１６のフローチャートの説明に使用した図。
【図２０】図１６のフローチャートの説明に使用した図。
【図２１】制御曲線β（α）の決め方の説明に使用した図。
【図２２】制御曲線β（α）の一例を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る照明用レンズの製造方法について詳細に説明する。
【００１９】
図１は、ガソリンスタンドの敷地内の構成を簡易的に示した外観図である。同図に示すようにガソリンスタンド５０の敷地内には、略中央部に車にガソリン等の燃料を給油するための給油機５２、５２、・・・が配置され、その上方にキャノピー５４と呼ばれる屋根が支柱５６、５６に支持されて５〜６ｍ程度の高さに設置されている。
【００２０】
また、敷地内には、従業員や来客者が利用するスタッフルーム、サービスルーム等が設けられる建屋５８等が配置され、敷地の外周部には、車両等の出入口となる道路に面した部分を除き防火塀６０が設けられている。尚、防火塀６０は、ガソリンスタンド５０の内部、又は、外部において火災が発生した場合に延焼を防止することを主目的としている。
【００２１】
更に、キャノピー５４の下面側には、キャノピー５４の下側を照明するキャノピー灯７０、７０、・・・が設置されている。本実施の形態では、そのキャノピー灯７０として、ＬＥＤを光源とするＬＥＤ照明装置が用いられている。ＬＥＤ照明装置の構成については後述するが、キャノピー灯として一般的に使用されているＨＩＤランプ等に比べて、熱が発生し難い、低消費電力、薄型、軽量等の利点がある。特に、後述のＬＥＤ照明装置によれば、所望の配光を光源であるＬＥＤと保護カバーを兼ねた１枚の薄型レンズのみで光学系が構成されており、構成が簡易であるとともに小型化が実現されている。尚、ＬＥＤに限らず、レーザーダイオード（ＬＤ）等の他の種類の半導体発光素子を光源としてもよい。
【００２２】
本実施の形態のキャノピー灯７０、７０、…（ＬＥＤ照明装置）により照明されるキャノピー５４下部の照度分布を図２に示す。同図に示すようにキャノピー５４の真下中央が最も明るく、６００Lux程度となっており、周辺になるほど徐々に照度が低くなるように配光されている。
【００２３】
そして、同図では示されていないが、キャノピー灯７０、７０、…からの光が図１の防火塀６０の外側に漏れないようにキャノピー灯７０、７０、…の照明範囲が制限されている。
【００２４】
図３は、図１のようなガソリンスタンド５０において、防火塀６０との水平距離が最短となるキャノピー灯７０の位置と、その距離が最短となる防火塀６０の位置とを含む鉛直断面を示した断面図である。同図に示すように、キャノピー灯７０の地面からの高さをＨ、防火塀６０の地面からの高さをｈ、キャノピー灯７０と防火塀６０までの水平距離（最短水平距離）をＬとする。また、キャノピー灯７０と防火塀６０の上端とを結ぶ直線が鉛直方向の直線となす角をθ（最大許容照射角度θという）とすると、θは次式（１）、
θ＝arctan{Ｌ／（Ｈ−ｈ）} …（１）
により求められる。
【００２５】
これに基づき、各キャノピー灯７０は、指向角Θが上式（１）により算出される最大許容照射角度θとなるように、又は、その最大許容照射角度θ以下となるように設計される。指向角Θは、正面の光度に対して光度が半減する角度（半値角）を示す。これにより、キャノピー灯７０からの光が防火塀６０の外側に漏れないようになっている。
【００２６】
尚、上式（１）の最大許容照射角度θは、ガソリンスタンドによって異なるため、各ガソリンスタンドの最大許容照射角度θに応じて適切な指向角Θのキャノピー灯（ＬＥＤ照明装置）を製造するようにしてもよいし、指向角Θが異なる数種類のキャノピー灯（ＬＥＤ照明装置）を製品化し、各ガソリンスタンドにおける最大許容照射角度θに応じて、各ガソリンスタンドで使用するキャノピー灯の種類を最適なものに選択できるようにしてもよい。
【００２７】
次に、上記キャノピー灯７０等に使用されるＬＥＤ照明装置（水冷式ＬＥＤ照明装置）の構成について説明する。図４は本実施の形態の水冷式ＬＥＤ照明装置の斜視図、図５は図４の矢視Ａ方向の図、図６は図４の矢視Ｂ方向の図、図７は図６のＣ−Ｃ線断面図、図８は図６のＤ−Ｄ線断面図、図９は図６のＥ−Ｅ線断面図、図１０は本実施の形態の水冷式ＬＥＤ照明装置の分解斜視図、図１１は本実施の形態の水冷式ＬＥＤ照明装置の水冷ユニットの基本構成図である。
【００２８】
本実施の形態に係る水冷式ＬＥＤ照明装置１（以下、ＬＥＤ照明装置１という）は、図７〜図１０に示すように、矩形ボックス状のハウジング２の内部に光源ユニット３と制御回路ユニット４及び水冷ユニット５を組み込んで構成されている。
【００２９】
上記ハウジング２は、ＰＣ等の樹脂或いはアルミニウム等の金属で構成されており、図４に示すように、その周面には縦方向の長い複数のスリットから成る吸気口６が形成され、上面には扇形の複数のスリットから成る排気口７が形成されている。そして、このハウジング２の下面は開口しており、この開口部には前記光源ユニット３が嵌め込まれて固定されている。
【００３０】
上記光源ユニット３は、図７〜図１０に示すように、光源であるＬＥＤ８（図１１参照）を実装して成る複数{図示例では９枚}のメタル基板９と、これらのメタル基板９を取り付ける矩形プレート状のベース１０及びハウジング２の下面開口部に嵌め込まれる矩形プレート状の透明な樹脂製のレンズ１１を含んで構成されている。尚、図１０において、１２はケーブルコネクタである。
【００３１】
本実施の形態では、ＬＥＤ８を実装して成る９枚のメタル基板９は縦横３列のマトリックス状に配置されており、これに対応してアルミダイキャスト製のベース１０にもＬＥＤ８と同数の台座１０ａ（図７及び図９参照）が縦横３列のマトリックス状に一体に突設されている。そして各メタル基板９は、矩形の熱伝導シート１３を介してベース１０の各台座１０ａのネジ止めによって固定されている。尚、各熱伝導シート１３は、絶縁性と熱伝導率の高いシリコンなどによって構成されている。
【００３２】
また、前記制御回路ユニット４は、図１０に示すように、下面が開口する矩形ボックス状の回路ケースの内部に不図示の各種電子部品が実装された回路基板１５を組み込み、回路ケース１４の下面開口部を矩形プレート状のカバー１６によって覆うことによって構成されている。ここで、回路ケース１４は熱伝導率の高いアルミダイキャスト等によって成形されており、その上面には放熱部を構成する多数の放熱ピン１７が一体に突設されている。そして、この回路ケース１４の内部正面には回路基板１５が絶縁性と熱伝導率の高いシリコン等から成る矩形の熱伝導シート１８を介して密着されている。尚、回路ケース１４とカバー１６との接合部にはＯリング１９が介装されており、このＯリング１９のシール作用によって回路ケース１４内が密封され、外部から回路ケース１４内への水等の浸入が防止されている。
【００３３】
前記水冷ユニット５は、図７〜図１１に示すように、熱交換器である水冷ジャケット２０と、該水冷ジャケット２０において受熱して温度が高くなった冷却水を外気（冷却風）との熱交換によって冷却するラジエータ２１と、該ラジエータ２１に冷却風を供給するファン２２と、冷却水を閉ループの循環経路内で循環させる循環ポンプ２３及び冷却水を貯留するリザーブタンク２４を備えており、ファン２２はラジエータ２１と対向してこれの上方に配置されている。
【００３４】
ところで、上記水冷ジャケット２０は、中空の矩形板状に成形されており、図７〜図９に示すように、その内部には冷却水通路が形成されている。そして、この水冷ジャケット２０の一端上には、図８及び図１０に示すように、ラジエータ２１において外気（冷却風）との熱交換によって冷却されて冷却水が流入する入口パイプ２５と、当該水冷ジャケット２０において受熱して温度が高くなった冷却水を排出する出口パイプ２６が立設されている。
【００３５】
そして、本実施の形態では、図７及び図９に示すように、ハウジング２内下部の底部に水冷ジャケット２０が水平に配置されており、この水冷ジャケット２０を挟んでこれの上下に制御回路ユニット４と光源ユニット３が配置されている。ここで、水冷ジャケット２２０の下面側に配されて光源ユニット３は、そのベース１０が矩形の熱伝導シート２７を介して水冷ジャケット２０の下面に密着している。尚、本実施の形態では、熱伝導シート２７は、絶縁性と熱伝導率の高いシリコン等によって構成されている。
【００３６】
また、制御回路ユニット４は、そのカバー１６が水冷ジャケット２０の上面に密着する状態で該水冷ジャケット２０の上面側に配置されている。尚、本実施の形態では、冷却水として水にプロピレングリコールを混合して成る不凍液が使用されている。
【００３７】
他方、図７及び図９に示すように、ハウジング２内の水冷ジャケット２０から離間した上部には前記ラジエータ２１とファン２２が配置されており、水冷ジャケット２０とラジエータ２１との間には空間部Ｓが形成され、この空間部Ｓに制御回路ユニット４と前記循環ポンプ２３及び前記リザーブタンク２４が配置されている。具体的には、水冷ジャケット２０上には門型のシャーシ２８が立設されており、このシャーシ２８によって囲まれる空間に制御回路ユニット４が配され、シャーシ２８上に循環ポンプ２３とリザーブタンク２４が設置されている。
【００３８】
ここで、図８及び図１１に示すように、水冷ジャケット２０の出口パイプ２６から上方へ立ち上がる配管（ゴムホース）２９は、ラジエータ２１の入口パイプ３０に連結されており、ラジエータ２１の出口パイプ３１から延びる配管（ゴムホース）３２は、下方に延びた後に略直角に曲げられて循環ポンプ２３の吸入側に接続されている。そして、循環ポンプ２３の吐出側から延びる配管（ゴムホース）３３は、図１１に示すようにリザーブタンク２４の入口側に接続されており、リザーブタンク２４の出口側から下方に延びる配管（ゴムホース）３４は水冷ジャケット２０の入口パイプ２５に接続されている。このように水冷ジャケット２０、ラジエータ２１、循環ポンプ２３及びリザーブタンク２４は配管（ゴムホース）２９、３２〜３４によって連結されて開ループを成す循環経路が形成されており、この循環経路を冷却水が循環することによって所要の冷却作用がなされる。
【００３９】
そして、以上のように構成されたＬＥＤ照明装置１が起動されて光源ユニット３と制御回路ユニット４及び水冷ユニット５に電源が供給されると、光源ユニット３の複数（本実施の形態では９個）のＬＥＤ８が発光し、その光はレンズ１１を透過して図４の下方に向かって照射されることによって前方を照明するが、光源ユニット３のＬＥＤ８及び制御回路ユニット４の各種電子部品（不図示）が発熱し、そのままでは光源ユニット３と制御回路ユニット４が加熱されて温度が上昇する。
【００４０】
然るに、本実施の形態では、水冷ユニット５が同時に駆動され、光源ユニット３と制御回路ユニット４は、前述のように図８に示す循環経路を循環する冷却水によって強制冷却されてその温度上昇が抑えられる。
【００４１】
即ち、循環ポンプ２３によって循環経路を循環する冷却水は、水冷ジャケット２０において光源ユニット３及び制御回路ユニット４において発生する熱を受熱して光源ユニット３及び制御回路ユニット４を冷却し、受熱して温度の高くなった冷却水は、配管２９を通ってラジエータ２１へと導入される。
【００４２】
他方、ファン２２が不図示のモータによって回転駆動されると、外気がハウジング２の周面に形成された吸気口６から冷却風としてハウジング２内に側方から吸引され、この冷却風は水冷ジャケット２０とラジエータ２１との間に形成された空間部Ｓを上方に向かって流れ、その過程でラジエータ２１を通過し、ハウジング２の上面に開口する排気口７から外部に排出される。そして、ラジエータ２１においては、ここを通過する冷却風によって冷却水の熱が外部に放熱されて該冷却水が冷却され、温度の下がった冷却液水は、配管３２を通って循環ポンプ２３に吸引される。
【００４３】
循環ポンプ２３に吸引された冷却水は昇圧された後に循環ポンプ２３から配管３３を通ってリザーブタンク２４へと送り出され、その一部はリザーブタンク２４に貯留され、残りの冷却水はリザーブタンク２４から配管３４を通って水冷ジャケット２０へと導入されて光源ユニット３と制御回路ユニット４の冷却に供される。そして、以上の作用（冷却サイクル）が連続的に繰り返されて光源ユニット３と制御回路ユニット４が水冷ジャケット２０を流れる冷却水によって強制冷却され、それらの温度上昇が一定値以下に抑えられる。
【００４４】
そして、本実施の形態では、水冷ジャケット２０を挟んでこれの上下に制御回路ユニット４と光源ユニット３を配置したため、循環ポンプ２３によって冷却水が閉ループの循環経路を循環することによって、水冷ジャケット２０の両側に配された光源ユニット３と制御回路ユニット４が冷却水によって同時に強制冷却される。この結果、これらの光源ユニット３と制御回路ユニット４の温度上昇が抑えられて当該ＬＥＤ照明装置１の高出力化が実現される。
【００４５】
また、本実施の形態では、制御回路ユニット４の下面を水冷ジャケット２０に密着させ、上面に放熱部を構成する多数の放熱ピン１７を突設したため、制御回路ユニット４が冷却水によって強制冷却されると同時に放熱ピン１７から自然放熱されるため、該制御回路ユニット４が効率良く冷却されてその温度上昇が一層効率的に抑えられる。
【００４６】
更に、本実施の形態では、光源ユニット３はその全面が熱伝導率の高い熱伝導シート２７を介して水冷ジャケット２０の下面に密着するため、光源ユニット３の全面が伝熱面となって該光源ユニット３が水冷ジャケット２０を流れる冷却水によって効率良く冷却される。
【００４７】
また、本実施の形態では、水冷ユニット５の水冷ジャケット２０とラジエータ２１との間に形成された空間部Ｓに制御回路ユニット４を配置したため、ファン２２によってハウジング２内に導入された冷却風が空間部Ｓを流れることによって制御回路ユニット４が強制冷却され、冷却水によっても強制冷却される制御回路ユニット４が一層効率良く冷却されてその温度上昇が効果的に抑えられるという効果も得られる。
【００４８】
次に上記ＬＥＤ照明装置１の光源ユニット３におけるレンズの形状の設計（算出）方法について詳説する。上記のように光源ユニット３の光学部は、図７〜図１０に示すように、光源であるＬＥＤ８（図１１参照）が縦横３列のマトリックス状に配置され、それらの前方に矩形プレート状の透明な樹脂製のレンズ１１が配置される。レンズ１１には、縦横３列のマトリックス状に配置された各ＬＥＤ８の位置に対応して、各ＬＥＤ８から出射された光を集めて所定の配光パターン（照度分布）の光を出射する照明用レンズ１１Ａが形成されている。
【００４９】
以下、図１２に示すように任意の１つのＬＥＤ８を光源１００、そのＬＥＤ８に対向して配置された照明用レンズ１１Ａをレンズ１０２として、レンズ１０２の形状の算出方法について説明する。尚、光源１００は、ＬＥＤに限らず、レーザーダイオード（ＬＤ）等の他の種類の半導体発光素子であってもよい。
【００５０】
まず、本実施の形態では、説明を容易にするために、光源１００の照度分布等の光学的特性が光軸Ｏを回転軸とする任意角度の回転に対して対称であり、レンズ１０２を介して形成される配光パターンや、レンズ１０２の形状も光軸Ｏを回転軸とする任意角度の回転に対して対称であるものとする。そして、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸（座標軸）から成る３次元空間において、光源１００の位置をＸＹＺ座標の原点の位置とするとともに、光軸ＯをＺ軸とし、ＸＺ平面における光学部の断面を図示しながら、主にＸ座標が０以上となる範囲に関してのみ説明する。
【００５１】
図１２に示すようにレンズ１０２は、凸面形状に形成された表面ＯＬと、複数の面ＩＬ１〜ＩＬ３、ＲＬ１、ＲＬ２の組合せで構成された裏面ＢＬとから構成されている。
【００５２】
図１３の一部拡大図に示すように光源１００から出射される光（光線ｒ）と、Ｚ軸（光軸Ｏ）との成す角を光源出射角度というものとし、その角度をαとすると、裏面ＢＬは、光源１００から出射された光のうち、光源出射角度αが角度範囲α１Ｌ（＝０°）≦α＜α１Ｈとなる光をレンズ１０２内に入射（透過）させる第１透過面ＩＬ１と、角度範囲α２Ｌ≦α＜α２Ｈとなる光をレンズ１０２内に入射させる第２透過面ＩＬ２と、角度範囲α３Ｌ≦α＜α３Ｈとなる光をレンズ１０２内に入射（透過）させる第３透過面ＩＬ３とから形成されている。尚、α１Ｈ＝α２Ｌ、α２Ｈ＝α３Ｌである。
【００５３】
図１２に示すように第１透過面ＩＬ１からレンズ１０２内に入射した光（光線ｒ１）は、レンズ１０２内において直進し（反射せず）、表面ＯＬから直接出射される。一方、第２透過面ＩＬ２と第３透過面ＩＬ３からレンズ１０２内に入射した光（光線ｒ２、ｒ３）は、各々、裏面ＢＬを構成する第１反射面ＲＬ１と第２反射面ＲＬ２によりレンズ１０２内部で一回反射した後、表面ＯＬから出射されるようになっている。尚、第１反射面ＲＬ１と第２反射面ＲＬ２には、内部で光が全反射するような表面処理が施されている。
【００５４】
このようなレンズ１０２を使用することにより、光源１００から略１８０°の角度範囲で出射される光がリフレクタ等のレンズ１０２以外の部材を使用することなく照明光として利用されるため構成及び製造が容易であり、また、光源１００とレンズ１０２とが近接して配置されるとともに、レンズ１０２が薄型であるため、ＬＥＤ照明装置１の光学部を小型化することができ、ＬＥＤ照明装置１全体としての小型化も可能となる。
【００５５】
尚、第１反射面ＲＬ１や第２反射面ＲＬ２のような反射面の数は変更可能であり、図１２のように２つの反射面を有する場合に限らない。
【００５６】
続いて、上記レンズ１０２の形状の算出方法について説明する。レンズ１０２の形状の算出にはパーソナルコンピュータ等の演算処理装置が用いられ、事前にインストールされた本実施の形態に係るレンズ設計用のソフト（プログラム）を起動することによってレンズ１０２の形状を算出するための演算処理が行われるようになっている。
【００５７】
パーソナルコンピュータ１５０は、図１４に示すように，ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）１５２と，ＲＯＭ（Ｒｅａｄ ＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）１５４と，ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ ＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）１５６と，ホストバス１５８と，ブリッジ１６０と，外部バス１６２と，インタフェース１６４と，入力装置１６６と，出力装置１６８と，ストレージ装置（ＨＤＤ）１７０と，ドライブ１７２等を備える。
【００５８】
ＣＰＵ１５２は、演算処理装置および制御装置として機能し、各種プログラムに従って動作し、ＰＣ１５０内の各部を制御する。このＣＰＵ１５２は、ＲＯＭ１５４に記憶されているプログラム、或いは、ストレージ装置１７０からＲＡＭ１５６にロードされたプログラムに従って、各種の処理を実行する。ＲＯＭ１５４は、ＣＰＵ１５２が使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶するとともに、ＣＰＵ１５２からストレージ装置１７０へのアクセスを軽減するためのバッファーとしても機能する。ＲＡＭ１５６は、ＣＰＵ１５２の実行において使用するプログラムや、その実行において適宜変化するパラメータ等を一時記憶する。これらはＣＰＵバスなどから構成されるホストバス１５８により相互に接続されている。ホストバス１５８は、ブリッジ１６０を介して、ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ／Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）バスなどの外部バス１６２に接続されている。
【００５９】
入力装置１６６は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチ、レバー等の操作手段と、入力信号を生成してＣＰＵ１５２に出力する入力制御回路などから構成されている。出力装置１６８は、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）装置、ＣＲＴ（Ｃａｔｈｏｄｅ ＲａｙＴｕｂｅ）ディスプレイ装置、ランプ等の表示装置と、スピーカ等の音声出力装置などで構成される。
【００６０】
ストレージ装置１７０は、パーソナルコンピュータ１５０の記憶部の一例として構成されたデータ格納用の装置であり、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ ＤｉｓｋＤｒｉｖｅ）等の磁気記憶部デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス、または光磁気記憶デバイス等により構成される。このストレージ装置１７０は、ＣＰＵ１５２が実行するプログラムや各種データを格納する。
【００６１】
ドライブ１７２は、記憶媒体用リーダライタであり、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、または半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体１７４に記録されている情報を読み出して、ＲＡＭ１５６に出力する。また、ドライブ１７２は、装着されている書込可能なリムーバブル記録媒体１７４に情報を書き込むことも可能である。リムーバブル記録媒体１７４は、例えば、ＤＶＤメディア、ＨＤ−ＤＶＤメディア、Ｂｌｕ−ｒａｙメディア、コンパクトフラッシュ（登録商標）（ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ：ＣＦ）、メモリースティック、または、ＳＤメモリカード（ＳｅｃｕｒｅＤｉｇｉｔａｌ ｍｅｍｏｒｙｃａｒｄ）等である。
【００６２】
このように構成されたパーソナルコンピュータ１５０において、設計者は、本実施の形態に係るレンズ設計用のプログラムの起動を入力装置１６６を使用して起動させると、ＣＰＵ１５２はそのプログラムをストレージ装置１７０から読み出し、そのプログラムに従った下記のレンズ設計の処理を実行する。
【００６３】
続いて、レンズ１０２の形状を算出するための上記パーソナルコンピュータ１５０のＣＰＵ１５２による処理手順を図１５及び図１６のフローチャートに従って説明する。
【００６４】
ＣＰＵ１５２は、図１２のようにＸ、Ｙ、Ｚ軸（座標軸）から成る３次元空間において、光源１００の位置をＸＹＺ座標の原点の位置に設定するとともに、光軸ＯをＺ軸として設定する。また、レンズ１０２の表面ＯＬの形状は設計者が決めて入力装置１６６からの入力によって指定し、ＣＰＵ１５２がその指定された表面ＯＬの形状をＸＹＺ座標上に設定する（図１５のステップＳ１０）。尚、表面ＯＬの形状のデータのように、設計者等の操作者が入力装置１６６から入力してＣＰＵ１５２に指定するものは、ＣＰＵ１５２の演算処理時において設計者が入力装置１６６から直接入力するのではなく、事前に作成されてストレージ装置１７０やリムーバブル記録媒体１７４に記録保存されているデータをそれらのストレージ装置１７０やリムーバブル記録媒体１７４から取得するようにしてもよい。以下においても、設計者が指定するデータは、入力装置１６６、ストレージ装置１７０、リムーバブル記録媒体１７４など、ＣＰＵ１５２がデータを取得することができる手段であればどのような手段から与えられるものであってもよく、どのような手段から与えられるものかは特に明記しないものとする。
【００６５】
次に、ＣＰＵ１５２は、設計者の指定に基づき光源出射角度αとレンズ出射角度βとの関係を示す制御曲線β（α）を設定する（図１５のステップＳ１２）。
【００６６】
ここで、図１３のように光源１００からある方向に出射された光（光線ｒ）と、Ｚ軸（光軸Ｏ）との成す角を光源出射角度αと称し、光源１００からその光源出射角度αの方向に出射された光又は光線を光源出射角度αの光又は光線と称する。また、レンズ１０２の表面ＯＬからある方向に出射された光（光線ｒ′）と、Ｚ軸（光軸Ｏ）との成す角をレンズ出射角度βと称し、レンズ１０２の表面ＯＬからそのレンズ出射角度βの方向に出射された光又は光線をレンズ出射角度βの光又は光線と称する。
【００６７】
制御曲線β（α）は、光源出射角度αの光をレンズ１０２による屈折や反射によって何度のレンズ出射角度βの光に変換するかを表した曲線であり、この制御曲線β（α）の関係を満たすようにレンズ１０２の形状が算出される。設計者は、レンズ１０２から出射される光によってＬＥＤ照明装置１としての所望の配光（配光パターン）が得られるように制御曲線β（α）を決めて、その制御曲線β（α）をＣＰＵ１５２に指定する。尚、制御曲線β（α）を決める際の手順について後に例示する。
【００６８】
次に、ＣＰＵ１５２は、設計者の指定に基づきレンズ１０２の裏面ＢＬを形成する面として形状を算出する予定の算出面の数（Ｎmax）と、各算出面に入射する光源１００からの光の光源出射角度αに関する角度範囲を設定する（図１５のステップＳ１４）。ここで、Ｘ軸に関して原点に近い側の算出面から第１算出面ＢＬ１、第２算出面ＢＬ２、・・・とし、Ｎ番目（１≦Ｎ＜Ｎmax）の算出面を第Ｎ算出面ＢＬＮで表すものとする。そして、第Ｎ算出面ＢＬＮに入射する光の光源出射角度αに関する角度範囲をαＮＬ≦α＜αＮＨで表すものとする。
【００６９】
図１２、図１３に示したような形状の裏面ＢＬを形成する場合、算出面として、第１透過面ＩＬ１、第１反射面ＲＬ１、第２反射面ＲＬ２が第１算出面ＢＬ１、第２算出面ＢＬ２、第３算出面ＢＬ３に相当し、設計者は算出面の数Ｎmaxとして３を指定する。尚、本実施の形態では、算出面の数Ｎmaxにかかわらず、Ｎ＝１の第１算出面Ｂ１のみを常に第１透過面ＩＬ１のような透過面とし、Ｎ≧２の算出面は、第１反射面ＲＬ１、第２反射面ＲＬ２のような反射面であるものとする。
【００７０】
一方、図１２、図１３において、光源１００からの光が第１反射面ＲＬ１（第２算出面ＢＬ２）や第２反射面ＲＬ２（第３算出面ＢＬ３）に入射する前に通過する第２透過面ＩＬ２、第３透過面ＩＬ３は、算出面として設定しないものとする。即ち、算出面として設定する透過面は第１透過面ＩＬ１（第１算出面ＢＬ１）のみとし、他の透過面（光源１００からの光が所定の反射面に入射する前に通過する透過面）は算出面として設定しない。第１透過面ＩＬ１以外の透過面は、光源１００からの光を対応する反射面へと屈折させる面であり、反射面の形成が困難な方向に光源１００からの光を屈折させるような面や、反射面に入射する光源出射角度αの光を無意味に収束させるような面でなければよく、比較的自由に設計することができる（例えば、第１透過面ＢＬ１以外の透過面はＸＺ平面において単に直線形状となる面であってもよい）。そのため、それらの透過面の形状の情報が必要となった段階で適宜設定するものとし、それらの形状に関しては詳細を説明せず、設計者が指定してもよいし、ＣＰＵ１５２が自動的に設定してもよいし、両方の組合せで設定してもよいものとする。
【００７１】
また、第Ｎ算出面ＢＬＮに入射する光の光源出射角度αに関する角度範囲αＮＬ≦α＜αＮＨは、光源１００から各角度方向に出射される光のうち、有効に利用する光の角度範囲０°〜αmaxを算出面の数Ｎmaxで分割することによって第１算出面ＢＬ１〜第Ｎmax算出面ＢＬＮmaxまでの各算出面に入射させる光の光源出射角度αに関する角度範囲を定めたもので、αＮＨ＝α（Ｎ＋１）Ｌ（ただし、ＮがＮmaxの場合を除く）の関係を有する。
【００７２】
図１２、図１３に示したような形状の裏面ＢＬを形成する場合、図１３に示すように第１算出面ＢＬ１に入射する光の光源出射角度αの角度範囲は図中の０°（α１Ｌ）≦α＜α１Ｈで示す範囲であり、第２算出面ＢＬ２に入射する光の光源出射角度αの角度範囲は、図中のα２Ｌ≦α＜α２Ｈの範囲であり、第３算出面ＢＬ３に入射する光の光源出射角度αの角度範囲は、図中のα３Ｌ≦α＜α３Ｈの範囲である。
【００７３】
本実施の形態では、これらの角度範囲は、算出面の数Ｎmaxとともに設計者が初期の段階で指定するものとするが、ある算出面に関して、設計者が指定した角度範囲の光に対して制御曲線β（α）の関係を満たすように形状を形成することが不可能となる可能性がある。また、初期の段階で全ての算出面についての角度範囲を設定しておく必要もないため、以下の処理において、算出面の形状を第１算出面ＢＬ１から第Ｎmax算出面ＢＬＮmaxまで順に算出していく仮定において、適宜、必要となる角度範囲の情報を設定し、又は、修正できるようにしてもよい。このとき、算出面の数Ｎmaxも、設定又は修正された角度範囲に応じて修正できるようにするか、又は、算出面の数Ｎmaxの指定自体を不要とすることができる（ある算出面の形状を算出した後、必要であれば算出面を１つ追加していく等の方法では算出面の数Ｎmaxの指定は不要）。
【００７４】
尚、上記のように本実施の形態では、レンズ１０２はＺ軸（光軸Ｏ）を回転軸とする任意角度の回転に対して対称となる形状を有していることを前提としているため、ＸＺ平面においてＸ≧０の範囲におけるレンズ１０２の裏面ＢＬの形状（線形状）を求めれば、その線形状をＺ軸に対して回転させて形成される面がレンズ１０２の裏面ＢＬ全体の形状として求まる。従って、本実施の形態では、ＸＺ平面においてＸ≧０の範囲における裏面ＢＬの形状のみを算出する手順のみを示している。仮にレンズ１０２がこのような対称性を有していない場合であっても、例えば、本実施の形態と同様の手順で任意断面でのレンズ１０２の裏面ＢＬの形状（線形状）を求め、それを３次元的につなぎ合わせて裏面ＢＬの３次元形状を求めることができる。
【００７５】
次に、ＣＰＵ１５２は、図１７に示すようにレンズ１０２の表面ＯＬよりも後側（光源１００側）の全体がレンズ１０２の媒質であると仮定し（大気中から表面ＯＬを介してレンズ１０２内に進入した光は永続的にレンズ媒質内を進行するものと仮定する）、Ｚ軸（光軸Ｏ）との成す角が角度βとなる平行光を前面側（Ｚ軸の正側）から表面ＯＬに入射させたときの焦点（結像点）の位置（座標）を光線追跡等の手法を用いて求める（図１５のステップＳ１６）。ここで、Ｚ軸に対して角度βで入射した平行光の焦点の座標をＳ（β）とし、仮想焦点Ｓ（β）と称するものとする。
【００７６】
仮想焦点Ｓ（β）は、レンズ出射角度βの光をレンズ１０２の表面ＯＬから出射する仮想光源でもあり、図１７に示すようにレンズ１０２の表面ＯＬにレンズ１０２内から入射する光線ｒの軌跡の延長線上に仮想焦点Ｓ（β）が存在する場合、即ち、仮想焦点Ｓ（β）の位置に仮想光源を配置したときにその仮想光源から出射されるいずれかの光線の軌跡と光線ｒの軌跡とが一致する場合には、その光線ｒは、レンズ出射角度βの光としてレンズ１０２の表面ＯＬから外部（大気中）に出射される。
【００７７】
このように仮想焦点Ｓ（β）は、レンズ１０２内に入射した光をレンズ出射角度βの光としてレンズ１０２の表面ＯＬから出射させる場合に、その光がレンズ１０２内において通るべき軌跡を与えるもので、後述のようにレンズ１０２の裏面ＢＬから入射した光を制御曲線β（α）に従ったレンズ出射角度βの光として出射させる場合に、その光がレンズ１０２内で通過すべき軌跡を求める際に参照される。
【００７８】
また、角度βの値を変えて仮想焦点Ｓ（β）の位置（座標）を求めると、図１７に示すような凸面形状の表面ＯＬに対して、ＸＺ平面上において略楕円形の線ｌｓ上に仮想焦点Ｓ（β）が検出され、略楕円形の線ｌｓを描く仮想焦点群が形成される。従って、角度βの値を微少量ずつ変更しながら仮想焦点Ｓ（β）の位置を離散的に求めておいてもよいが、複数の仮想焦点Ｓ（β）の位置に基づいて、任意の角度βに対する仮想焦点Ｓ（β）の位置を示す近似曲線の曲線式ｌｓ（β）を求めておき、必要時において任意の角度βに対する仮想焦点Ｓ（β）の位置を曲線式ｌｓ（β）を用いて求めるようにしてもよい。
【００７９】
以上の初期設定の処理が終了すると、ＣＰＵ１５２は、算出面の形状を実際に算出するための処理に移行する。まず、算出面の番号を示すＮを１として、Ｎ≦Ｎmax（Ｎmaxは算出面の数）の条件を満たすか否かの判定処理を行う（図１５のステップＳ１８）。Ｎ＝１の場合には、この条件を常に満たすため、ステップＳ２０に移行して、第１算出面ＢＬ１の形状を算出する。尚、形状を算出するための具体的な処理内容については後述する。第１算出面ＢＬ１の形状を算出すると、続いてＮをＮ＝Ｎ＋１（Ｎを１増加）として（ステップＳ２２）、ステップＳ１８の判定処理に戻る。
【００８０】
このような処理がＮ＝１からＮ＝Ｎmaxとなるまで実行され、Ｎが算出面の数Ｎmaxを越えてＮmax＋１になると、ステップＳ１８においてＮＯと判定されて、全ての処理が終了する。
【００８１】
続いて、所定値Ｎにおける第Ｎ算出面ＢＬＮの形状を算出する図１５のステップＳ２０の処理内容について、図１６のフローチャートを用いて具体的に説明する。まず、ＣＰＵ１５２は、設計者の指定に従って、光源出射角度αＮＬの光が第Ｎ算出面ＢＬＮに入射する位置として初期入射点ＢＬＮ（αＮＬ）の位置（座標）を設定する（ステップＳ３０）。光源出射角度αＮＬは、第Ｎ算出面ＢＬＮに入射する光の光源出射角度αに関する角度範囲αＮＬ≦α＜αＮＨのうち最小の角度を示す。
【００８２】
例えば、Ｎ＝１の場合、図１８に示すように光源出射角度０°の光が第１算出面ＢＬ１に入射する位置を初期入射点ＢＬ１（０°）として指定する。尚、同図には、図１２等に示した第１算出面ＢＬ１の形状が点線で示されているが、この段階では第１算出面ＢＬ１の形状は全く決まっておらず、この形状に基づいて初期入射点ＢＬ１（０°）の位置を指定するのではなく、設計者がレンズ１０２の厚みなどを考慮して指定する。ただし、任意の値Ｎにおいて、初期入射点ＢＬＮ（αＮＬ）の位置は、少なくとも光源出射角度αＮＬの光が表面ＯＬに到達する前に通過する位置という条件を満たす必要があり、Ｎ＝１の場合もこの条件を満たす位置を初期入射点ＢＬＮ（αＮＬ）として指定する必要がある。
【００８３】
また、例えば、Ｎ＝２の場合、図１８に示すように光源出射角度α２Ｌの光が第２算出面ＢＬ２に入射する位置として初期入射点ＢＬ２（α２Ｌ）を設定する。このとき、光源出射角度α２Ｌの光は、第２算出面ＢＬ２に入射する前に、第２透過面ＩＬ２からレンズ１０２内に入射する際に屈折する。従って、初期入射点ＢＬ２（α２Ｌ）の位置は第２透過面ＩＬ２での屈折の仕方によって設定し得る位置が制限されるが、例えば、初期入射点ＢＬ２（α２Ｌ）の位置を設計者が指定した後、その初期入射点ＢＬ２（α２Ｌ）に光源出射角度α２Ｌの光が入射するように第２透過面ＩＬ２の形状を設定するようにしてもよいし、第２透過面ＩＬ２の形状を設定した後、その第２透過面ＩＬ２によって屈折した光源出射角度α２Ｌの光が通過する位置を算出し、その通過位置のいずれかに初期入射点ＢＬ２（α２Ｌ）の位置を設計者の指示に従って設定するようにしてもよい。尚、Ｎ＝３の場合もＮ＝２の場合と同様に、第３透過面ＩＬ３での屈折を考慮して、図１８に示すように光源出射角度α３Ｌの光が第３算出面ＢＬ３に入射する位置として初期入射点ＢＬ３（α３Ｌ）を設定し、Ｎ≧４の場合もＮ＝２、３と同様に初期入射点ＢＬＮ（αＮＬ）を設定する。
【００８４】
このようにして第Ｎ算出面ＢＬＮの初期入射点ＢＬＮ（αＮＬ）を設定すると、次にＣＰＵ１５２は、まず、光源出射角度αの値α０としてα０＝αＮＬに設定し、その光が第Ｎ算出面ＢＬＮに入射する位置を示す入射点ＢＬＮ（α０）を初期入射点ＢＬＮ（αＮＬ）に設定する（ステップＳ３２）。
【００８５】
そして、ＣＰＵ１５２は、ステップＳ３４〜ステップＳ４２の処理を繰り返す。これによって、光源出射角度α０をαＮＬからΔαずつ増加させながら、各光源出射角度α０の光が第Ｎ算出面ＢＬＮに入射する入射点ＢＬＮ（α０）を順次求め、それらの入射点ＢＬＮ（α０）の位置によって第Ｎ算出面ＢＬＮの形状を最終的に算出する。
【００８６】
今、所定の光源出射角度α０の光が第Ｎ算出面ＢＬＮに入射する入射点ＢＬＮ（α０）が求まった状態であるとする。図１９は、Ｎ＝１の場合において、所定の光源出射角度α０の光が第１算出面ＢＬ１に入射する入射点ＢＬ１（α０）が求まった状態を例示している。ＣＰＵ１５２は、まず、入射点ＢＬＮ（α０）と、光源出射角度α０に対して制御曲線β（α）で対応付けられたレンズ出射角度β（α０）＝β０に対応する仮想焦点Ｓ（β０）を通る直線Ｍ０を求める（ステップＳ３４）。直線Ｍ０は、入射点ＢＬＮ（α０）に入射した光線ｒ１が、レンズ出射角度β（α０）で出射されるためのレンズ１０２内での光線の軌跡を示している。
【００８７】
次に、ＣＰＵ１５２は、光源出射角度α０の光が第Ｎ算出面ＢＬＮの入射点ＢＬＮ（α０）に入射した後、その光が直線Ｍ０の方向に（直線Ｍ０に一致する軌跡となるように）屈折（Ｎ＝１の場合）又は反射（Ｎ≧２の場合）するように、入射点ＢＬＮ（α０）における第Ｎ算出面ＢＬＮの面方向（本実施の形態では法線方向γ（α０））を算出する（ステップＳ３６）。即ち、入射点ＢＬＮ（α０）において第Ｎ算出面ＢＬＮに接する接平面Ｐ（α０）を求める。第Ｎ算出面ＢＬＮが入射点ＢＬＮ（α０）において、ここで算出される面方向を有するものとすれば、光源出射角度α０の光を制御曲線β（α）に従ったレンズ出射角度β（α０）の光としてレンズ１０２から出射させることができる。
【００８８】
具体的に説明すると、光源出射角度α＝α０の光が第Ｎ算出面ＢＬＮの入射点ＢＬＮ（α０）に入射する際の入射角θ１と、第Ｎ算出面ＢＬＮの入射点ＢＬＮ（α０）に入射して直線Ｍ０の方向に屈折又は反射した光の屈折角θ２（Ｎ＝１の場合）又は反射角θ２（Ｎ≧２の場合）とが、入射角θ１と屈折角θ２又は反射角θ２との関係を規定する所定の光学的条件を満たすように、入射点ＢＬＮ（α０）における第Ｎ算出面ＢＬＮの法線方向γ（α０）（接平面Ｐ（α０））を求める。法線方向γ（α０）は、例えば、入射点ＢＬＮ（α０）における第Ｎ算出面ＢＬＮの法線とＺ軸（光軸Ｏ）との成す角とする。
【００８９】
Ｎ＝１の場合、図１９に示すよう入射点ＢＬ１（α０）において法線方向γ（α０）が未知の接平面Ｐ（α０）を想定し、光源出射角度α＝α０の光線ｒ１が入射点ＢＬ（α０）においてその接平面Ｐ（α０）に入射する際の入射角θ１と、入射点ＢＬ１（α０）に入射して直線Ｍ０の方向に屈折した光線ｒ２の屈折角θ２とが次式のスネルの法則、
sinθ１／sinθ２＝ｎ２／ｎ１（ただし、ｎ１、ｎ２は、各々、真空に対する大気の屈折率（ｎ１）とレンズ媒質の屈折率（ｎ２）を示す）
を満たすように、接平面Ｐ（α０）の法線方向γ（α０）を算出する。これによって算出された法線方向γ（α０）は入射点ＢＬ１（α０）における第１算出面ＢＬ１の法線方向であり、接平面Ｐ（α０）は入射点ＢＬ１（α０）における第１算出面ＢＬ１の接平面である。
【００９０】
Ｎ＝２の場合、図２０に示すように入射点ＢＬ２（α０）において法線方向γ（α０）が未知の接平面Ｐ（α０）を想定し、光源出射角度α＝α０の光線ｒ１が入射点ＢＬ２（α０）においてその接平面Ｐ（α０）に入射する際の入射角θ１と、入射点ＢＬ２（α０）に入射して直線Ｍ０の方向に反射した光線ｒ２の屈折角θ２とが、次式の反射の法則、
θ１＝θ２
を満たすように、接平面Ｐ（α０）の法線方向γ（α０）を算出する。これによって算出された法線方向γ（α０）は入射点ＢＬ２（α０）における第２算出面ＢＬ２の法線方向であり、接平面Ｐ（α０）は入射点ＢＬ２（α０）における第２算出面ＢＬ２の接平面である。尚、光源出射角度α＝α０の光線ｒ１が入射点ＢＬ２（α０）において接平面Ｐ（α０）に入射する際の入射角θ１は、第２透過面ＩＬ２によって屈折作用を受けた光線の入射角となる。
【００９１】
Ｎが３以上の場合には、Ｎ＝２の場合と同様にして入射点ＢＬＮ（α０）における第Ｎ算出面ＢＬＮの法線方向γ（α０）（接平面Ｐ（α０））が算出される。
【００９２】
次に、ＣＰＵ１５２は、上記のようにしてステップＳ３６で求めた入射点ＢＬＮ（α０）における第Ｎ算出面ＢＬＮの接平面Ｐ（α０）を、入射点ＢＬＮ（α０）の近傍での第Ｎ算出面ＢＬＮの形状であると仮定し、光源出射角度α０を微小角度Δα分だけ増加させた光源出射角度α０＋Δαの光線Ｌ１が接平面Ｐ（α０）に入射する入射点を求める。そして、その入射点を、光源出射角度α０＋Δαの光が第Ｎ算出面ＢＬＮに入射する入射点ＢＬＮ（α０＋Δα）として設定する（ステップＳ３８）。
【００９３】
このようにして光源出射角度α０＋Δαの光が第Ｎ算出面ＢＬＮに入射する入射点ＢＬＮ（α＋Δα）が求まると、光源出射角度αの値α０をα０＋Δαと置き換えるとともに、光源出射角度α０の光が第Ｎ算出面ＢＬＮに入射する入射点ＢＬＮ（α０）の座標を入射点ＢＬＮ（α０＋Δα）の値に置き換える（ステップＳ４０）。そして、上記ステップＳ３４からの処理を繰り返す。ステップＳ４０において新たに設定した光源入射角度α０の値が、第Ｎ算出面ＢＬＮに入射する光の光源出射角度α０の範囲、即ち、αＮＬ≦α０＜αＮＨの範囲を超えた場合にはステップＳ４２の判定処理によってステップＳ３４〜ステップＳ４２の反復処理が終了する。尚、初期入射点ＢＬＮ（α０）を光源出射角度αＮＬの光の入射点ＢＬＮ（αＮＬ）として、α０の値を徐々に大きくして入射点ＢＬＮ（α０）の値を求めているため、第Ｎ算出面ＢＬＮに入射する光の光源出射角度α０の範囲αＮＬ≦α０＜αＮＨのうち、αＮＬ≦α０の条件は常に満たされる。従って、ステップＳ４２では、α０＜αＮＨの条件を満たすか否かの判定処理のみが行われている。
【００９４】
以上のようにして、光源出射角度αの光が第Ｎ算出面ＢＬＮに入射する入射点ＢＬＮ（α）が、第Ｎ算出面ＢＬＮに入射する光源出射角度αに関する角度範囲αＮＬ≦α＜αＮＨの全体に対して求められると、ＣＰＵ１５２は、それらの入射点ＢＬＮ（α）をαの大きさ順に接続する。このとき各入射点を接続した線形状が滑らかな曲線を描くように、且つ、各入射点でのその線形状の接線方向がステップＳ３６で求めた各入射点に接する接平面のＸＺ平面での断面方向（接平面の法線方向に直交する方向）となるように、スプライン曲線やビジエ曲線などを使用して各入射点を接続する。これにより、第Ｎ算出面ＢＬＮの形状（ＸＺ平面での線形状）が連続した１つの曲線として求められる（ステップＳ４４）。この処理が終了すると、図１５のステップＳ２２に移行する。
【００９５】
尚、最終的には、上記のようにしてＸＺ平面（Ｘ≧０）の範囲で求められた第Ｎ算出面ＢＬＮや、第Ｎ算出面ＢＬＮ（Ｎ≧２）に光源１００からの光を導く第Ｎ入射面（図１２、図１３等に示した第２反射面ＲＬ２、第３反射面ＲＬ３、・・・）の線形状をＺ軸（光軸Ｏ）を中心にして回転させてそれらの線形状が描く面を求めることによって、レンズ１０２の裏面ＢＬ全体の形状が求められる。
【００９６】
以上の処理において、ステップＳ３０で設定した初期入射点は、必ずしも光源出射角度αＮＬの光が第Ｎ算出面ＢＬＮに入射する位置でなくてもよい。上記実施の形態では、初期入射点として各算出面の端点（各算出面に入射する光のうち最小の光源出射角度αの光が入射する入射点）を設計者が指定し、その位置を基点として、光源出射角度αが大きくなる方向に光線を変化させて算出面上の点（入射点）及び面方向を順次求めるようにしたが、例えば、算出面上の任意の点を初期入射点として指定できるようにし、その場合には、その位置を基点として、光源出射角度αが大きくなる方向と小さくなる方向の両方向に光線を変化させて算出面上の点（入射点）を求めるようにすればよい。
【００９７】
また、上記のステップＳ３８において、光源出射角度α０＋Δαの光が第Ｎ算出面ＢＬＮに入射する入射点を、光源出射角度α０の光が第Ｎ算出面ＢＬＮに入射する入射点ＢＬＮ（α０）における接平面Ｐ（α０）に入射（交差）する点として設定したが、任意の光源出射角度においてその光が第Ｎ算出面ＢＬＮに入射する入射点を初期入射点ＢＬＮ（αＮＬ）と同様に設計者が指定できるようにしてもよい。また、第Ｎ算出面ＢＬＮの基調とする面形状（ＸＺ平面における線形状）を設計者が事前に指定しておき、光源出射角度αの光線がその基調とする線形状と交差する点を入射点として設定するようにしてもよい。
【００９８】
次に、光源出射角度αとレンズ出射角度βとの関係を表す制御曲線β（α）の一例について説明する。設計者は、レンズ１０２から出射される光によって所望の配光（配光パターン）が得られるように、光源１００から出射された各光源出射角度αの光（光線）を何度のレンズ出射角度βでレンズ１０２から出射させるかを制御曲線β（α）によって設定する。この制御曲線β（α）に基づいてレンズ１０２の形状を上記のように算出し、形成することによって、その制御曲線β（α）に従った目的の配光制御がレンズ１０２によって行われるため、多様な配光制御を容易に実現することができる。
【００９９】
まず、図２１は、ＬＥＤの光源１００のＸＺ平面における光源出射角度α（α≧０）に対する光度分布（指向性分布）の一例を示す。同図に示す光度分布は、正面となる０°の出射角度方向の光度が最も高い値を示し、光源出射角度αが大きくなるに従って光度が徐々に減少する一般的な特性を示している。
【０１００】
これのような特性の光源１００における光源出射角度α（α≧０）の光に対して、例えば、レンズ１０２から出射される光のレンズ出射角度βを所定範囲０°〜βmax内に制限するとともに、レンズ出射角度βが大きくなる程、徐々に光度が低くなるような光度分布による配光を形成するものとする。例えば、このような配光は、図１〜図３で説明したガソリンスタンドのキャノピー灯７０に使用するＬＥＤ照明装置１に有効である。
【０１０１】
この場合の制御曲線β（α）の決め方の一例として、まず、光源出射角度αに関して複数の角度範囲に分割したときの各角度範囲を積分区間として光度を積分したときに、それらの積分値が同じになるように、各角度範囲を決定する。図２１には、光源出射角度α（α≧０）の範囲をこのようにして分割した場合に、光源出射角度αの０°側から０°、α１、α２、α３、α４、・・・の境界角度によって複数の角度範囲０°〜α１、α１〜α２、α２〜α３、α３〜α４、・・・に分割された様子が示されている。
【０１０２】
このとき、例えば、図２２の制御曲線β（α）に示すように、光源出射角度αの角度範囲として隣接する２つずつ角度範囲０°〜α１とα１〜α２、α２〜α３とα３〜α４、・・・を１組とする。そして、同じ組の角度範囲の光は、レンズ出射角度βに関して同一角度範囲の光に変換するとともに、同じ組の２つの角度範囲のうち一方の角度範囲の光は、光源出射角度αが大きくなるほど、レンズ出射角度βも大きくなるようにし、他方の範囲の光は、光源出射角度αが大きくなるほど、レンズ出射角度βが小さくなるようにして、光源出射角度αの小さい光と、大きい光とを重ね合わせてレンズ出射角度範囲βに関して同一角度の光を形成するようにする。これによって光源１００が有する輝度ムラなどが軽減される。
【０１０３】
また、図２２の制御曲線β（α）に示すように、１組目の角度範囲０°〜α１、α１〜α２の光を、レンズ出射角度βの最大の角度範囲０°〜βmaxの光に変換し、第２組目の角度範囲α２〜α３、α３〜α４の光を、レンズ出射角度βの角度範囲０°〜β１（＜βmax）の光に変換し、第３組目移行の角度範囲の光についても同様に、レンズ出射角度βの範囲を０°側に狭めていくことにより、レンズ出射角度βの角度範囲０°に近い範囲ほど、多くの組の角度範囲からの光が重ね合わせられる。従って、上記のようにレンズ１０２から出射される光のレンズ出射角度βが所定範囲０°〜βmax内に制限され、レンズ出射角度βが大きくなる程、徐々に光度が低くなるような光度分布が、これによって形成される。このように光源出射角度αの角度範囲が異なる光を重ね合わせることによって光源１００の輝度ムラなどが軽減されるとともに、光度の積分量が等しい各組の光を重ね合わせる量によってレンズ１０２から出射される光の光度分布を形成することができるため、所望の配光を容易に作ることができる。尚、ここで説明した制御曲線β（α）の決め方は一例であって、どのような方法で決めてもよい。特に図１５、１６のフローチャートのようにレンズ１０２の形状を求めることで、多様な制御曲線β（α）に対応したレンズ１０２を容易に設計することができため、設計者が制御曲線β（α）を決める際の自由度が高い。
【０１０４】
以上、上記の実施の形態では、説明を容易にするために、光源１００の照度分布等の光学的特性が光軸Ｏを回転軸とする任意角度の回転に対して対称であり、レンズ１０２を介して形成される配光パターンや、レンズ１０２の形状も光軸Ｏを回転軸とする任意角度の回転に対して対称であるものとしたが、このような対称性を有していない場合にも上記処理手順と同様の処理手順でレンズ１０２の裏面ＢＬの形状を算出することができる。対称性を考慮しない場合においても適用可能なレンズ１０２の形状を算出するための処理手順の概要を、図１５、図１６のフローチャートに対応させて説明する。ただし、図１５、図１６と略同様の処理が行われる工程については説明を省略する。
【０１０５】
まず、光源１００とレンズ１０２の表面ＯＬの形状（座標）をＸＹＺ座標上に設定する（ステップＳ１０に相当）。そして、光源出射方向αとレンズ出射方向βとの関係を示す配光制御データβ（α）を設定する（ステップＳ１２に相当）。ここで、上記実施の形態では光源１００から出射された光とＺ軸（光軸Ｏ）との成す角である光源出射角度αによって光源１００から出射された光の出射方向を表していたが、ここでは、光源１００から出射された光の３次元的な出射方向を光源出射方向αとして表す。αは具体的には３次元ベクトルに相当する。レンズ出射方向βについても光源出射方向αと同様にレンズ１０２の表面ＯＬから出射された光の３次元的な出射方向をレンズ出射方向βとして表す。そして、配光制御データβ（α）は、設計者が所望の配光制御を行うために、光源出射方向αとレンズ出射方向βを対応付けるデータであり、上記実施の形態のように２次元に限定した場合の制御曲線β（α）に相当する。このとき配光制御データβ（α）は、光源出射方向αの光線とレンズ出射方向βの光線とが同一面内となる関係で対応付けるものではなく、３次元的に全く異なる方向のαとβとを対応付けることも可能である。
【０１０６】
次に、算出面の個数Ｎmaxと第Ｎ算出面ＢＬＮ（Ｎ＝１、２、…、Ｎmax）に入射する光源出射方向αに関する範囲を設定する（ステップＳ１４に相当）。そして、レンズ出射方向βに対応する仮想焦点Ｓ（β）の位置を求める（ステップＳ１６に相当）。即ち、表面ＯＬを大気とレンズ１０２の媒質との境界とし、大気中で所定方向γと反対方向に進行する平行光が大気中から表面ＯＬを介してレンズ１０２の媒質内に入射した後、レンズ１０２内を永続的に進行すると仮定した場合にその平行光が収束する焦点位置を示す仮想焦点Ｓ（γ）を算出する。このとき、表面ＯＬからレンズ出射方向βに光を出射するためのレンズ１０２内での光の軌跡は方向γをレンズ出射方向βとしたときの仮想焦点Ｓ（β）によって決まるため、レンズ出射方向βに対応する仮想焦点をＳ（β）としている。
【０１０７】
続いて、ステップＳ１８〜ステップＳ２２に相当する処理により、各算出面の形状を順次算出する。ステップＳ２０における第Ｎ算出面ＢＬＮにおいて、光源１００から所定の光源出射方向αに出射された光が第Ｎ算出面ＢＬＮに入射する入射点ＢＬＮ（α）と、その光源出射方向αに対して配光制御データβ（α）で対応付けられたレンズ出射方向βに対する仮想焦点Ｓ（β）とを結ぶ直線Ｍ０を求める（ステップＳ３４に相当）。そして、入射点ＢＬＮ（α）に入射した光をその直線Ｍ０の方向に屈折させる屈折面、又は、反射させる反射面の面方向（入射点ＢＬＮ（α）における接平面Ｐ（α））を求める（ステップＳ３６に相当）。
【０１０８】
そして、光源出射方向αを少しずつ異なる方向に変更しながら、上記のようにしてその方向の光が第Ｎ算出面ＢＬＮに入射する入射点における面方向を算出する。このとき、各光源出射方向の光が第Ｎ算出面ＢＬＮに入射する入射点は、各光源出射方向の光が通過する位置の近傍において既に算出されている入射点の接平面と交差する位置として設定する。即ち、光源出射方向が最も近い光の入射点の接平面と交わる位置に設定する（ステップＳ３８に相当）。また、少なくとも入射点の１つは初期入射点として設計者が指定する（ステップＳ３０に相当）。
【０１０９】
以上のようにして第Ｎ算出面ＢＬＮの各点（入射点）の位置と、各点における面方向（接平面）を算出すると、それらの各点を通る面であって、各点において算出した面方向となる面を求めて第Ｎ算出面ＢＬＮの形状を算出する（ステップＳ４４に相当）。
【０１１０】
尚、各算出面に光源１００からの光が入射する入射点の位置を、一点のみでなく複数の入射点の位置を設計者が指定するようにしてもよい。また、各算出面の基調とする面形状を設計者が事前に指定しておき、光源出射角度αの光線がその基調とする面と交差する点を入射点として設定するようにしてもよい。このとき、各入射点に対して求められた面方向の面を各入射点の近傍での局所面とし、各入射点での局所面を連結して算出面全体の面を形成するようにしてもよいし、上記のように各入射点の面方向が算出した面形状となるような曲面を形成するようにしてもよい。
【０１１１】
以上、上記のように形成されたレンズ１０２と光源１００とからなる光学部を有する照明装置は、任意の用途に使用することができるもので、図１等に示したガソリンスタンドのキャノピー灯に限らない。また、図４〜図１１に示したような構成のＬＥＤ照明装置１の光学部として適用されるものではなく、半導体発光素子である光源と、光源からの光は配光制御する照明用レンズとを備えた照明装置の照明用レンズとして上記のように形成されたレンズ１０２を適用することができる。
【符号の説明】
【０１１２】
１…水冷式ＬＥＤ照明装置、２…ハウジング、３、光源ユニット、４…制御回路ユニット、５…水冷ユニット、８…ＬＥＤ、１１…レンズ、１１Ａ…照明用レンズ、５０…ガソリンスタンド、５４…キャノピー、６０…防火塀、７０…キャノピー灯、１００…光源、１０２…レンズ、ＢＬ…裏面、ＩＬ１、ＩＬ２、ＩＬ３…透過面、ＲＬ１、ＲＬ２…反射面、ＯＬ…表面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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